(57)【要約】 【課題】  外部からの衝撃などに対する信頼性が向上した、ラミネートフィルムを用いた外装構造を有する二次電池、及びその製造方法を提供すること【解決手段】  金属箔６の両面に高分子層を積層した３層構造のラミネートフィルム４を用いて封止を行う際に、金属箔の大きさを、高分子層よりも小さく設定する。このラミネートフィルム４は周縁部に金属箔６が存在しないので、この部分を熱融着して封止すると、余長部を切断しても、切断した端面に金属箔６が露出することがなく、従来発生することがあった、金属箔６と端子などとの接触による不良を実質的になくすことができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極、負極、及び電解質を有する発電素子と、金属箔及び高分子層を有するラミネートフィルムにより前記発電素子を封入してなる二次電池において、前記ラミネートフィルムの端面には、前記金属箔が存在しないことを特徴とする二次電池。
【請求項２】
前記ラミネートフィルムは、前記金属箔の一方の面に高分子からなる保護層を有し、対向する面に高分子からなる熱融着層を有することを特徴とする、請求項１に記載の二次電池。
【請求項３】
板状の形状で正極端子及び負極端子が引き出された発電素子を、高分子からなる熱融着層、金属箔及び高分子からなる保護層を有するラミネートフィルムを用いて、前記熱融着層を対向させた状態で挟み、前記発電素子の表面に前記熱融着層が密着するように、前記ラミネートフィルムにフォーミングを施し、前記発電素子の周縁部の前記熱融着層を加熱圧接して一体化部を形成した後、一定の長さの前記一体化部が残存するように、前記ラミネートフィルムの周縁部を切断する二次電池の製造方法において、前記金属箔の周縁を、前記熱融着層及び前記保護層よりも、小さくすることで、前記ラミネートフィルムを切断した端面に、前記金属箔を露出させないことを特徴とする二次電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電素子がラミネートフィルムを用いて封止された構造を有する二次電池に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器、特に携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ビデオカメラなどの携帯用情報機器の発達や普及に伴い、小型、軽量で、かつエネルギー密度が高い二次電池の需要が大きく伸張し、なお、高性能化の検討がなされている。このような二次電池として特にリチウムイオン二次電池が、その高性能のため注目されている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池の一般的な構造は、リチウム−コバルト複合酸化物などの正極活物質粉末、導電性粉末、及びバインダからなる正極活物質層を、アルミニウム箔からなる正極集電体表面に形成してなる正極、炭素系の負極活物質粉末、及びバインダからなる負極活物質層を、銅箔からなる負極集電体表面に形成してなる負極を、多孔質のフィルムからなるセパレータを介して重ね、電解液を含浸したものである。
【０００４】
そして、二次電池としての容量増加のため、正極及び負極の対を複数積層した積層素子や、帯状に形成した正極及び負極を巻き回した巻回素子などが用いられているが、いずれの場合も電解液を用いるので、このような素子を金属のケースに封入して、電解液が外部に漏れないようにしている。従って、リチウムイオン二次電池に代表される二次電池を、さらに小型化、軽量化するには、電解液を高分子電解質に替えたり、金属ケース以外の外装材を用いたりすることが必要となる。
【０００５】
外装材を薄型化、軽量化するには、高分子フィルムを用いるのが、最も簡便である。しかし高分子フィルムは、水分や低分子量の有機溶媒の透過を防止しきれないので、アルミニウムなどの金属箔と高分子フィルムからなる、ラミネートフィルムが用いられている。
【０００６】
このような用途に用いられるラミネートフィルムにおいては、金属箔の一方の面に、比較的機械的強度が大きい高分子フィルムを、保護層として貼り付け、対向する面に、熱融着性が大きい熱可塑性の高分子フィルムを貼り付けた３層構造を有するのが一般的である。
【０００７】
図２は、３層構造のラミネートフィルムを外装に用いた、従来の二次電池の例を示す図で、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）はラミネートフィルムの切断端面を拡大した断面図である。図２において、８は発電素子、９は正極端子、１０は負極端子、１１はラミネートフィルム、１２は熱融着層、１３は金属箔、１４は保護層である。
【０００８】
このような外装構造を形成するには、図における上下方向から、熱融着層１２を対向させた状態で、ラミネートフィルム１１で発電素子８を挟み、発電素子８の表面に熱融着層１２が密着するように、ラミネートフィルム１１にフォーミングを施した後、発電素子８の周縁部分の熱融着層１２を、熱プレスなどを用いて接合、一体化する。そして、一定長の前記一体化部分を確保するようにして、ラミネートフィルム１１の周縁部を切断する。
【０００９】
このような外装構造の問題点として、ラミネートフィルム１１を構成する金属箔１３と、端子などとの接触がある。つまり、図２（ｂ）に示したように、ラミネートフィルム１１の切断端面には、金属箔１３が外部に露出した部分が生じ、これが端子や保護回路などと接触することで不良の原因となる。
【００１０】
これに対処する技術として、特許文献１には、リチウムイオンを吸蔵・放出する正極及び負極と、前記正極と前記負極の間に配置されたリチウムイオン伝導性電解質層とを含む発電要素、前記正極に接続された正極リード、前記負極に接続された負極リード、前記発電要素を前記正極リード及び前記負極リードの端部が外側に延出するように収納し、熱融着により封止されたラミネートフィルムを具備し、前記ラミネートフィルムは、外側の層が絶縁性樹脂から形成されると共に、前記発電要素と対向する層が熱融着性樹脂から形成され、この熱融着性樹脂層に金属層が積層されており、融着部のうち前記正極リード及び前記負極リードと接する部分に前記金属層が存在しないことを特徴とするリチウム二次電池が開示されている。
【００１１】
つまり、正極及び負極のリードが引き出された部分の、ラミネートフィルムの切断端面近傍の金属箔を除去することで、金属箔と正極及び負極のリードとの接触による短絡不良を抑制している。しかしながら、金属箔を除去する部分が正極及び負極のリードの近傍に限定されているので、二次電池が外部から衝撃を受け、正極または負極のリードが位置ずれを起こした場合の対策に、なお改善の余地がある。
【００１２】
【特許文献１】特許第３２８３２１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、本発明の課題は、外部からの衝撃などに対する信頼性が向上した、ラミネートフィルムを用いた外装構造を有する二次電池、及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、前記課題を解決できるラミネートフィルムの熱融着部の構造と、それを実現するための方法を検討した結果なされたものである。
【００１５】
即ち、本発明は、正極、負極、及び電解質を有する発電素子と、金属箔及び高分子層を有するラミネートフィルムにより前記発電素子を封入してなる二次電池において、前記ラミネートフィルムの端面には、前記金属箔が存在しないことを特徴とする二次電池である。
【００１６】
また、本発明は、前記ラミネートフィルムが、前記金属箔の一方の面に高分子からなる保護層を有し、対向する面に高分子からなる熱融着層を有することを特徴とする、前記の二次電池である。
【００１７】
また、本発明は、板状の形状で正極端子及び負極端子が引き出された発電素子を、高分子からなる熱融着層、金属箔及び高分子からなる保護層を有するラミネートフィルムを用いて、前記熱融着層を対向させた状態で挟み、前記発電素子の表面に前記熱融着層が密着するように、前記ラミネートフィルムにフォーミングを施し、前記発電素子の周縁部の前記熱融着層を加熱圧接して一体化部を形成した後、一定の長さの前記一体化部が残存するように、前記ラミネートフィルムの周縁部を切断する二次電池の製造方法において、前記金属箔の周縁を、前記熱融着層及び前記保護層よりも、小さくすることで、前記ラミネートフィルムを切断した端面に、前記金属箔を露出させないことを特徴とする二次電池の製造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のラミネートフィルムの外装を有する二次電池においては、ラミネートフィルムの切断端面に、金属箔の露出部分がまったく存在しないので、従来見られたような、金属箔と端子などとの間の接触による不良を、極めて少なくすることができる。
【００１９】
また、ラミネートフィルム切断端面に金属箔が存在しないので、異種材料の接合面の界面剥離が発生しなくなり、長期間に亘る使用に際しての信頼性を向上することができる。一般に剥離は、殆どが切断端面から起こるので、本発明が剥離防止に資するところは極めて大きいと言える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態の一例を示す図で、図１（ａ）は発電素子とラミネートフィルムの配置を示す斜視図、図１（ｂ）はラミネートフィルムの切断端面を拡大した断面図である。図１において、１は発電素子、２は正極端子、３は負極端子、４はラミネートフィルム、５は熱融着層、６は金属箔、７は保護層である。
【００２１】
なお、図１においては、説明の便宜のため、構成材料を積層する前の状態で、ラミネートフィルム４を示し、図における上側に配置するラミネートフィルム４は省略した。
【００２２】
図１に示したように、本発明に用いるラミネートフィルム４には、高分子からなる保護層７または熱融着層５よりも、縦横とも寸法が小さい金属箔６が積層されている。このような目的に使用される金属箔６には、延性や展性に優れ、可撓性が要求される。具体的には、アルミニウムや銅などが用いられる。
【００２３】
また、熱融着層５には、室温では一定以上の機械的強度を有し、高温で軟化した際に接着性を発現することが要求されるので、いわゆるホットメルト接着剤に用いられる高分子が好適である。具体的には、エチレン−酢酸ビニル共重合体やエチレン−アクリル酸エチル共重合体などが挙げられる。また、いわゆるアイオノマーから選ばれる、接着性に優れた材料も使用できる。
【００２４】
アイオノマーは、オレフィンとアクリル酸やマレイン酸などからなる共重合体を金属化合物で処理したもので、イオン架橋構造を有し、常温では熱硬化性高分子のような特性を発現するので、特にこのような用途に適している。
【００２５】
また、保護層７には、機械的な強度、耐磨耗性、耐擦過性などが要求されるので、比較的硬質の高分子が用いられる、具体的にはポリエチレンテレフタレートやポリプロピレンなどが挙げられる。また、これらの高分子は比較的接着性が劣るので、二層押出成形で得られる、熱融着層を構成する高分子の層と保護層を構成する高分子の層を有する、２層フィルムを用いることで、熱融着面の接合強度を大きくすることができる。
【００２６】
なお、ラミネートフィルムの周縁部の熱融着には、従来の熱プレス法や超音波を用いた加熱融着法などを、そのまま用いることができる。
【実施例１】
【００２７】
次に、具体的な実施例を挙げ、本発明について詳細に説明する。
【００２８】
まず集電体として、正極には厚みが２０μｍのアルミニウム箔、負極には厚みが２０μの銅箔を準備し、それぞれ、幅が４０ｍｍ、長さが７０ｍｍとなるように切断した。
【００２９】
次に、正極の作製について説明する。まず、炭酸リチウムと炭酸コバルトを、リチウムとコバルトのモル比が１：１になるように混合し、空気中で９００℃、５時間焼成した。この焼成体を、乳鉢を用いて粉砕し、平均粒径が６μｍの焼成粉末とした。さらに得られた焼成粉末と炭酸リチウム粉末を、重量比で９５／５となるように混合した。
【００３０】
前記混合粉末と、導電材としてのグラファイトと、バインダとしてのポリフッ化ビニリデンを、重量比で９１／６／３となるように秤量混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散して正極電極活物質層形成用ペーストとした。このペーストを集電体の両面に、溶媒を除去した後の厚みが１００μｍとなるように塗布、乾燥して正極を得た。
【００３１】
次に、負極の作製について説明する。フェノール樹脂を不活性ガス気流中で焼成後、粉砕して得られた平均粒径７μｍの炭素材料と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデンを、重量比で９０／１０となるように秤量混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンに分散して負極電極活物質層形成用のペーストとした。この後は正極と同様にして負極を得た。
【００３２】
次に、電解液を含浸するための、電解質層の調製について説明する。シリカ粉末が３３重量％、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオルプロピレン共重合体粉末が２３重量％、フタル酸ジブチルが４４重量％となるように秤量して、アセトンで希釈、混合してペーストを調製し、乾燥後の厚みが１００μｍとなるように成膜して電解質層を得た。
【００３３】
次に、前記の正極及び負極をそれぞれ２枚、間に電解質層に介在させて積層し、熱プレスで加熱及び加圧を行い、続いてフタル酸ジブチルの抽出処理を施した。引き続き、正極及び負極の端子を取り付け、プロピレンカーボネートに、テトラエチルアンニウムテトラフルオロホウ酸塩を、１モル／Ｌの濃度で溶解した電解液を含浸して、発電素子を得た。
【００３４】
次に、外装に用いるラミネートフィルムについて説明する。ここでは、保護層としてポリエチレンテレフタレートと、エチレン−メタクリル酸共重合体を亜鉛化合物で処理して得られるアイオノマーからなる２層フィルムを用いた。保護層全体の厚みは１８μｍでアイオノマーの層の厚みは３μｍである。
【００３５】
また、金属箔には、厚みが２０μｍのアルミニウム箔を用い、熱融着層には、前記のアイオノマーを用いた。これらの３層の大きさは、図１に示したように金属箔が、他の層よりも小さく設定されている。
【００３６】
このような構造のラミネートフィルムを、熱融着層を内側にして折り曲げ、端子が解放側に配置されるようにして、前記の発電素子を間に挟んだ。その後、発電素子の表面に熱融着層が密着するように、ラミネートフィルムにフォーミングを施し、熱プレスを用いて、発電素子の周縁部の熱融着層を一体化した。
【００３７】
引き続き、一体化した熱融着層の余長部分を切断し、二次電池を得た。この切断した端面の近傍を、端面に垂直な方向で切断し、断面を観察したところ、図１（ｂ）に示したように、外部にアルミニウム箔が露出した部分は認められなかった。これによって本発明の効果が確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
なお、前記実施例では、リチウムイオン二次電池について説明したが、他の二次電池や、同様の構造を有する電気化学セルにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す図。図１（ａ）は発電素子とラミネートフィルムの配置を示す斜視図。図１（ｂ）はラミネートフィルムの切断端面を拡大した断面図。
【図２】３層構造のラミネートフィルムを外装に用いた従来の二次電池の例を示す図。図２（ａ）は斜視図。図２（ｂ）はラミネートフィルムの切断端面を拡大した断面図。
【符号の説明】
【００４０】
１，８    発電素子
２，９    正極端子
３，１０    負極端子
４，１１    ラミネートフィルム
５，１２    熱融着層
６，１３    金属箔
７，１４    保護層
【図１】
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【図２】
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